Две группы американских химиков смогли повторить два ключевых элемента процесса фотосинтеза у зеленых растений – разложение молекул углекислого газа и воды при помощи энергии света, используя недорогие и легко доступные катализаторы и солнечные батареи, говорится в двух статьях, опубликованных в журнале Science.

Многие химические реакции происходят только при благоприятных условиях – к примеру, в присутствии набора катализаторов или при постоянном притоке энергии. В частности, зеленые растения используют молекулы хлорофилла для поглощения энергии Солнца и преобразования ее в свободные электроны, которые в свою очередь расходуются на расщепление молекул воды и углекислого газа.

Ричард Мазель (Richard Masel) и его коллеги из исследовательской лаборатории Dioxide Materials в городе Шампэйн (штат Иллинойс) воспроизвели одну половину этого процесса – разложение молекулы углекислого газа.

Молекулу СО₂ крайне сложно разложить при помощи электрического тока – оба атома кислорода прочно связаны с углеродом, и для отрыва хотя бы одного из них нужно много электричества. Из-за этого такая реакция крайне невыгодна с экономической точки зрения.

Мазель и его коллеги смогли умерить «аппетиты» молекулы CO₂ при помощи специального катализатора – электролита из смеси соединений имидазола и тетрафторида бора. Эта соединение относится к классу так называемых ионных жидкостей – по сути «обычных» солей, температура плавления которых ниже комнатной.

Ученые собрали реактор из закрытой колбы, двух электродов – серебряного катода и платинового анода, и электролита, через который пропускался углекислый газ. В первых экспериментах платиновый электрод быстро портился из-за взаимодействия с молекулами углекислого газа, поэтому ученые обернули его в пленку из нафиона – полимера, который пропускает положительно заряженные катионы и не пропускает все остальное – нейтральные молекулы воды или отрицательно заряженные анионы.

«Рабочая» версия реактора Мазеля и его коллег вырабатывала только три типа газов – водород и угарный газ (СО) на катионе и кислород на анионе. Эффективность работы этого устройства – то есть доля электричества, которая была потрачена на расщепление углекислого газа – составляла 96% и она не уменьшалась с течением времени, что говорит о низком расходе катализатора.

С другой стороны, текущая производительность этой системы остается достаточно низкой, что мешает использовать ее в промышленных масштабах.

Другая группа ученых под руководством Томаса Ярви (Thomas Jarvi) из лаборатории Sun Catalytix в Кэмбридже (США) реализовала вторую половину искусственного фотосинтеза – расщепление воды на кислород и водород при помощи энергии света.

Ярви и его коллеги собрали специальную солнечную панель, которая повторяет в себе «водную» часть фотосинтезирующих структур. Полупроводниковая часть этого устройства «собирает» энергию Солнца и выделяет электроны, которые подхватываются молекулами «умного» катализатора из оксида кобальта и бора. Это вещество переносит электроны к молекуле воды и заставляет атомы кислорода отделиться от нее и образовать молекулу нейтрального газа. Для отделения молекул водорода ученые использовали еще один катализатор – тонкую сетку из сплава никеля, цинка и молибдена.

Ученые испытали работу своего устройства, осветив ее при помощи лампы мощностью в 1 киловатт на квадратный метр, что составляет примерно 1,5 светимости Солнца. Солнечная панель поглощала примерно 8% света и использовала 85% полученной энергии – примерно 5% от мощности прожектора – на расщепление воды. По современным оценкам, растения поглощают около 1–2% солнечного света – иначе говоря, батарея Ярви и его коллег оказалась эффективнее природных.

Химики полагают, что их изобретение станет первым шагом на пути создания дешевых и компактных систем преобразования солнечной энергии в водород и кислород.